室温下延长240倍！中科大团队实现碳化硅量子节点纠缠存储

量子纠缠很强大，却也很“娇气”：环境中的磁噪声、电噪声和晶格扰动都可能迅速抹去量子相干。尤其在室温固态器件中，既要让量子比特便于操控和读出，又要让纠缠保持足够久，一直是量子网络与量子传感走向实用化的关键难题。

2026年9月4日，中国科学技术大学、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、合肥国家实验室等机构组成的研究团队在《Physical Review Letters》发表题为“Room-Temperature Storage of Entanglement in a Silicon Carbide Quantum Node”（碳化硅量子节点中的室温纠缠存储）的研究论文。Shuo Ren与Rui-Jian Liang为论文共同第一作者，许金时、李传锋为论文通讯作者。

研究团队在4H碳化硅中的单个PL6色心上构建了一个可完全寻址的三量子比特寄存器：一个电子自旋负责快速处理，两个与其强耦合的硅-29核自旋充当量子存储器。通过SWAP门序列，团队把电子—核自旋纠缠相干地转移到核自旋对中，存储态保真度达到92.5%，纠缠相干寿命由1.06微秒提升至244微秒，延长约240倍。

研究背景

纠缠是量子计算、量子通信和量子增强传感的核心资源。固态自旋体系体积小、易集成，适合与微纳器件结合；但靠近材料表面的浅层缺陷会更敏感地受到磁、电和表面噪声影响。电子自旋虽然操控快、可通过光学方式初始化和读出，相干时间却往往较短，容易成为整个量子节点的“短板”。

核自旋恰好具有互补特性。它与外界环境耦合较弱，通常拥有更长的相干时间，但直接控制和读出相对困难。因而，混合电子—核自旋架构形成了清晰分工：电子自旋承担处理器和光学接口，核自旋承担存储器。如果能把脆弱的电子相关纠缠完整转入核自旋，就能在不牺牲可操控性的情况下显著延长量子信息寿命。

碳化硅是这种混合架构的重要候选材料。它具有成熟的晶圆级生长与微纳加工基础，色心可确定性制备，并能在室温下工作。本研究采用距离表面约15纳米的单个PL6色心。天然碳化硅中硅-29和碳-13核自旋并不罕见，它们可通过超精细相互作用与色心电子自旋耦合，为局域多量子比特节点提供资源。

图1 PL6中心与两个硅-29核自旋耦合的能级图

研究方法

实验在沿色心对称轴施加约330高斯磁场的条件下进行，以电子自旋的两个能级编码电子量子比特。团队利用光学探测磁共振识别电子自旋跃迁，并通过电子自旋回波包络调制筛选附近的强耦合核自旋。最终选出的两个硅-29核自旋超精细耦合强度分别为9.6兆赫和12.5兆赫。

图2 由PL6电子自旋和两个硅-29核自旋组成的三量子比特寄存器的相干控制

在控制层面，微波脉冲用于旋转电子自旋；射频脉冲则在不同电子自旋状态对应的频率上选择性驱动核自旋。研究人员首先把电子自旋极化，再利用条件射频脉冲逐一初始化两个核自旋，由此获得包含一个电子和两个核自旋、共八个能级的三量子比特寄存器。

为验证节点的纠缠能力，团队确定性制备了两个核自旋之间的贝尔态，并进一步生成电子自旋参与的三量子比特GHZ型纠缠态。随后，研究人员先在电子自旋与第一个核自旋之间制备贝尔态，再执行由强超精细耦合辅助的SWAP操作，把电子所携带的量子信息转移给第二个核自旋，使电子退出纠缠，两个核自旋留下存储后的贝尔态。 

图3 两个核自旋的纠缠和三量子比特GHZ型态

研究结果

实验首先显示，电子自旋退相干时间仅为1.75微秒，而第二个核自旋达到359微秒，证明核自旋更适合作为长寿命存储单元。两个核自旋贝尔态的制备保真度为94%，相干时间为295微秒；三量子比特GHZ型态的保真度为89%，说明该平台不仅能保存信息，也具备多比特纠缠操控能力。

在核心存储实验中，初始电子-核自旋贝尔态保真度为94.5%。经过SWAP转移后，两个核自旋存储态保真度仍达到92.5%，表明转移过程中只引入了有限误差。更关键的是，纠缠相干时间从电子参与时的1.06微秒增长到核自旋存储时的244微秒，实现约240倍提升。

团队还在由硅-29与碳-13构成的异核寄存器上重复方案：初始纠缠态保真度为93%，存储后为91%；相干寿命由1.08微秒延长至196微秒。这说明该方法并非只适用于一组特定的同核自旋，而能推广到不同核种组成的局域量子存储器。

可扩展性同样是研究重点。团队统计了通过氮离子和氧离子注入制备的200个单PL6色心，发现能够形成至少含两个强耦合核自旋寄存器的概率超过10%。这一结果无需同位素工程或极端稀有样品筛选，为批量寻找可用多核自旋节点提供了现实依据。

图4 核自旋存储器中的纠缠存储

结论与展望

本研究在碳化硅量子节点中实现了室温下的纠缠存储。通过将浅层PL6色心的电子自旋与两个强耦合的硅-29核自旋组合，构建了可寻址的三量子比特寄存器，并基于SWAP门将电子-核纠缠相干转移至核自旋存储器，使纠缠寿命从微秒级延长至244微秒，提升约240倍，转移保真度达92.5%。

研究还验证了该方案在异核²⁹Si-¹³C寄存器中的通用性，并通过统计200个色心表明多核自旋寄存器自然出现概率高于10%。

未来，该平台有望通过材料纯化、表面钝化及动态解耦等策略延长存储时间，并借助光子结构提升自旋-光子接口效率。其与半导体工艺的兼容性，也为片上量子网络、纠缠增强传感及可扩展量子器件提供了可行技术路径。实现跨节点远程纠缠分发和完整量子中继功能，仍是通往网络化量子应用的关键工程挑战。

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/454t-n78h